植物细胞和动物细胞和培养反应器

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1、第三章第三章 植物细胞和动物细胞植物细胞和动物细胞培养反应器培养反应器第一节第一节 植物细胞培养反应器植物细胞培养反应器 植物细胞培养：植物细胞培养：是指在离体条件下将愈伤是指在离体条件下将愈伤组织或其他易分散的组织置于液体培养基组织或其他易分散的组织置于液体培养基中，将组织振荡分散成游离的悬浮细胞，中，将组织振荡分散成游离的悬浮细胞，通过继代培养使细胞增殖来获得大量细胞通过继代培养使细胞增殖来获得大量细胞群体的方法。群体的方法。表表1 植物细胞培养和从完整的植物植物细胞培养和从完整的植物 生产紫草宁的比较生产紫草宁的比较 生产方式生产方式收获时间收获时间紫草宁浓度紫草宁浓度（%干重）干重）完

2、整植物完整植物2-3年年1-2植物细胞培植物细胞培养养21天天14一、植物细胞培养过程的特点一、植物细胞培养过程的特点 1 1、培养液中植物细胞的特性、培养液中植物细胞的特性植物细胞比微生物细胞大植物细胞比微生物细胞大植物细胞通常以细胞数在植物细胞通常以细胞数在2-2002-200之间、直径之间、直径为为2mm2mm左右的非均相集合细胞团方式存在左右的非均相集合细胞团方式存在植物细胞抗剪能力弱植物细胞抗剪能力弱 2 2、细胞培养液的流变学性质、细胞培养液的流变学性质 n植物细胞培养液的粘度随着细胞植物细胞培养液的粘度随着细胞浓度的增加而显著上升浓度的增加而显著上升 3 3、植物细胞培养过程中的

3、氧传递、植物细胞培养过程中的氧传递所有植物细胞都是好气性的，需要连续所有植物细胞都是好气性的，需要连续不断地供氧。不断地供氧。二氧化碳的浓度对细胞的生长也相当重二氧化碳的浓度对细胞的生长也相当重要要。4 4、泡沫和表面粘附性、泡沫和表面粘附性 气泡较大，覆盖有蛋白质和粘多糖，气泡较大，覆盖有蛋白质和粘多糖，粘性大，易粘附于培养液表面以上的器粘性大，易粘附于培养液表面以上的器壁上壁上 5 5、悬浮细胞的生长与增殖、悬浮细胞的生长与增殖 细胞数量随时间的变化曲线呈现细胞数量随时间的变化曲线呈现“S”S”形。形。细胞生长经历：延迟期、对数生细胞生长经历：延迟期、对数生长期、直线生长期、减慢期和静止期

4、。长期、直线生长期、减慢期和静止期。6 6、悬浮培养的优点、悬浮培养的优点增加培养细胞与培养液的接触面增加培养细胞与培养液的接触面及时带走培养物产生的有害代谢产及时带走培养物产生的有害代谢产物物保证了氧的充分供应保证了氧的充分供应二二 、植物细胞培养反应器、植物细胞培养反应器 培养方式：培养方式：悬浮培养和固定化细胞培养悬浮培养和固定化细胞培养 1 1、悬浮培养生物反应器、悬浮培养生物反应器 (1)机械搅拌式反应器机械搅拌式反应器 优点优点:是能够获得较高是能够获得较高的溶氧系数。的溶氧系数。缺点缺点:剪切力大。剪切力大。2 2、固定化细胞生物反应器、固定化细胞生物反应器 （1 1）填充床生物

5、反应器）填充床生物反应器 特点：细胞固定于支撑物表面或特点：细胞固定于支撑物表面或内部，支撑物颗粒堆叠成床，培内部，支撑物颗粒堆叠成床，培养基在床层间流动。养基在床层间流动。优点：单位体积固定细胞量大。优点：单位体积固定细胞量大。缺点缺点:混合效果差，使溶氧、混合效果差，使溶氧、pHpH、温度控制、气体的排出较难。温度控制、气体的排出较难。（2 2）流化床生物反应器）流化床生物反应器 特点特点：利用流体的能量来悬利用流体的能量来悬浮颗粒。浮颗粒。优点：优点：小颗粒传质特性良好。小颗粒传质特性良好。缺点：缺点：剪切力和颗粒碰撞会剪切力和颗粒碰撞会损坏固定化细胞。损坏固定化细胞。（3）膜生物反应器

6、）膜生物反应器 中空纤维反应器中空纤维反应器螺线式卷绕反应器螺线式卷绕反应器 中空纤维反应器中空纤维反应器：细：细胞保留在管外，基胞保留在管外，基质走管内质走管内螺旋式卷绕反应器螺旋式卷绕反应器：将固定有细胞的膜将固定有细胞的膜卷成圆柱状卷成圆柱状优点优点：可重复使用，可重复使用，可以采用较厚的细可以采用较厚的细胞层胞层缺点缺点:投资大投资大第二节第二节 动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器 动物细胞培养的产物举例动物细胞培养的产物举例 疫苗疫苗小儿麻痹症疫苗、狂犬疫苗、脑炎疫苗、疱疹疫小儿麻痹症疫苗、狂犬疫苗、脑炎疫苗、疱疹疫苗、风疹疫苗苗、风疹疫苗单克隆抗体单克隆抗体IgG、IgM、IgA

7、等等免疫调节剂免疫调节剂细胞生长因子、干扰素、白细胞活化因子、胸腺细胞生长因子、干扰素、白细胞活化因子、胸腺素素酶酶胰蛋白酶、尿激酶、胶原酶、胃蛋白酶胰蛋白酶、尿激酶、胶原酶、胃蛋白酶激素激素生长激素、促红细胞生成素生长激素、促红细胞生成素一一、动物细胞培养过程的特点动物细胞培养过程的特点n 动物细胞培养定义动物细胞培养定义 将动物组织或细胞从机体取出，分散成将动物组织或细胞从机体取出，分散成单个细胞，给予必要的条件，模拟体内单个细胞，给予必要的条件，模拟体内生长环境，使其在体外继续生长和繁殖。生长环境，使其在体外继续生长和繁殖。1 1、动物细胞与微生物细胞的性质比较动物细胞与微生物细胞的性质

8、比较性质性质动物细胞动物细胞微生物细胞微生物细胞大小大小代谢调节方式代谢调节方式营养要求营养要求生长速率生长速率机械强度机械强度环境适应性环境适应性10-100um内部和激素内部和激素苛刻苛刻倍增时间一般为倍增时间一般为12-60h很差，缺乏保护性细胞壁很差，缺乏保护性细胞壁差差10um内部内部宽松，可利用多种底物宽松，可利用多种底物倍增时间一般为倍增时间一般为0.5-2h较好较好好好表表 动物细胞与微生物细胞的性质比较动物细胞与微生物细胞的性质比较 2、动物细胞与微生物细胞的培养方法比较动物细胞与微生物细胞的培养方法比较性质性质动物细胞动物细胞微生物细胞微生物细胞PH控制控制搅拌速度搅拌速度

9、溶氧控制溶氧控制培养基灭菌方法培养基灭菌方法培养时间培养时间对水纯度的要求对水纯度的要求CO2HCO3缓冲液缓冲液较慢较慢改改变进入气体的氧浓度变进入气体的氧浓度过滤过滤 几天几天3、4周周很高很高添加酸、碱添加酸、碱速度快、范围广速度快、范围广改变搅拌速度改变搅拌速度、通气量、通气量等等高温蒸煮高温蒸煮几小时几小时几天几天较低较低表表 动物细胞与微生物细胞的培养方法比较动物细胞与微生物细胞的培养方法比较 二、动物细胞培养方法二、动物细胞培养方法n贴壁培养贴壁培养n悬浮培养悬浮培养n固定化培养固定化培养n 1.1.贴壁培养贴壁培养 是指必须贴附在固体介质表是指必须贴附在固体介质表成上生长成上生

10、长 的细胞培养。的细胞培养。2.2.悬浮培养悬浮培养 是指细胞在培养器中自由悬浮生长的过是指细胞在培养器中自由悬浮生长的过程。程。3.3.固定化培养固定化培养 是既适用于贴壁依赖性细胞，又适用是既适用于贴壁依赖性细胞，又适用于非贴壁依赖性细胞的包埋培养方式。于非贴壁依赖性细胞的包埋培养方式。三、细胞培养的操作方式三、细胞培养的操作方式培养方式分为：培养方式分为：分批式分批式 流加式流加式 半连续式半连续式 连续式连续式 灌注式灌注式1 1、分批式培养分批式培养分批式培养：指先将细胞和培养液一次性装入反分批式培养：指先将细胞和培养液一次性装入反应器内进行培养，细胞不断生长，产物不断形应器内进行培

11、养，细胞不断生长，产物不断形成，经一段时间后，终止培养。成，经一段时间后，终止培养。特点：特点：分批式培养过程的环境随时间变化很大分批式培养过程的环境随时间变化很大细胞的生长阶段可分为延滞期、对数生长期、细胞的生长阶段可分为延滞期、对数生长期、减速期、平稳期和衰退期。减速期、平稳期和衰退期。(3)在分批培养过程中在分批培养过程中,与细胞的生长与细胞的生长、代代 谢相关的主要参数有谢相关的主要参数有n细胞密度及其比生长速率细胞密度及其比生长速率n限制性营养物质及其比消耗速率限制性营养物质及其比消耗速率n产物浓度及其比生长速率产物浓度及其比生长速率n抑制物浓度抑制物浓度2 2、流加式培养、流加式培

12、养 特点：特点：u可避免某种营养成分的初始浓度过高；可避免某种营养成分的初始浓度过高；u能防止营养成分在培养过程中被耗尽；能防止营养成分在培养过程中被耗尽；u整个过程反应体积是变化的。整个过程反应体积是变化的。培养过程各参数的变化可写为：培养过程各参数的变化可写为：d（VX）/dt=uVX V-培养液的体积；培养液的体积；X-为为t时间时的细胞密度；时间时的细胞密度；u-为细胞的比生长为细胞的比生长 流加方式：流加方式：(1)(1)无反馈控制流加无反馈控制流加 (2)(2)反馈控制流加反馈控制流加 3 3、半连续式培养、半连续式培养 指在分批式培养的基础上，将指在分批式培养的基础上，将分批培养

13、的培养液部分取出，并补分批培养的培养液部分取出，并补充加入等量的新鲜培养基，使反应充加入等量的新鲜培养基，使反应器内培养液的总体积保持不变。器内培养液的总体积保持不变。4 4、连续式培养、连续式培养n连续式培养连续式培养：使反应条件处于一：使反应条件处于一种恒定状态。种恒定状态。n特点特点：细胞所处环境条件长时间：细胞所处环境条件长时间地稳定地稳定5 5、灌注培养、灌注培养灌注培养：灌注培养：是把细胞接种后进行培养，新是把细胞接种后进行培养，新鲜的培养液从反应器一头不断加入，从鲜的培养液从反应器一头不断加入，从另一头不断取出等量的培养液，细胞仍另一头不断取出等量的培养液，细胞仍留在反应器内，使

14、细胞处于一种营养不留在反应器内，使细胞处于一种营养不断的状态。断的状态。特点：特点：高密度培养动物细胞高密度培养动物细胞图（生化生产工艺学P221）三、动物细胞大规模培养反应器三、动物细胞大规模培养反应器1、通气搅拌式细胞培养反应器、通气搅拌式细胞培养反应器 工作原理工作原理:反应器运转反应器运转时，圆筒以时，圆筒以30-30-60r/min60r/min的速度转动，的速度转动，由于离心力的作用，搅由于离心力的作用，搅拌器中心管内产生负压，拌器中心管内产生负压，使搅拌器外培养基流入使搅拌器外培养基流入中心管，沿管螺旋上升，中心管，沿管螺旋上升，再从导流筒口排出，从再从导流筒口排出，从搅拌器外沿

15、下降，形成搅拌器外沿下降，形成循环流动。在气腔内气循环流动。在气腔内气体由分布管鼓泡，气体体由分布管鼓泡，气体溶于液体中，依靠气腔溶于液体中，依靠气腔丝网外液体的循环流动丝网外液体的循环流动及扩散作用，使溶于液及扩散作用，使溶于液体中的气体成分均匀地体中的气体成分均匀地分布到反应器内。分布到反应器内。反应器的优缺点反应器的优缺点优点：避免向培养优点：避免向培养基直接通气时气基直接通气时气泡损伤细胞，没泡损伤细胞，没有移动部件，密有移动部件，密封好，氧转换率封好，氧转换率较高，便于放大。较高，便于放大。缺点：氧传递系数缺点：氧传递系数小，气路系统不小，气路系统不能就地灭菌。能就地灭菌。反应器适用

16、范围反应器适用范围 悬浮培养：非贴壁依赖性细胞悬浮培养：非贴壁依赖性细胞和贴壁于微载体的贴壁细胞和贴壁于微载体的贴壁细胞2 2、气升式动物细胞培养反应器、气升式动物细胞培养反应器 与微生物发酵及植物细胞培养的反与微生物发酵及植物细胞培养的反应器结构相同。应器结构相同。优点优点:器内湍流温和均匀剪应力小，完全密封，便于器内湍流温和均匀剪应力小，完全密封，便于无菌操作，氧的转换率高，便于放大生产。无菌操作，氧的转换率高，便于放大生产。3 3、中空纤维细胞培养反应器、中空纤维细胞培养反应器1 1）结构）结构2 2）用途）用途 :培养悬浮生长的细胞和贴壁依赖性细培养悬浮生长的细胞和贴壁依赖性细胞胞 3

17、)3)优点优点培养器体积小，细胞密度高；培养器体积小，细胞密度高；浓缩产品；浓缩产品；产物纯度高；产物纯度高；自动化程度高，细胞生长周期长。自动化程度高，细胞生长周期长。4)4)缺点缺点:价格高价格高 (1)(1)优点优点培养器体积小，细胞密度高；培养器体积小，细胞密度高；浓缩产品；浓缩产品；产物纯度高；产物纯度高；自动化程度高，细胞生长周期自动化程度高，细胞生长周期长。长。(2)(2)缺点缺点:价格高价格高 4 4、微载体悬浮培养系统、微载体悬浮培养系统 微载体悬浮培养定义：微载体悬浮培养定义：用微珠作载体，用微珠作载体，使单层动物细胞生长于微珠表面，可在使单层动物细胞生长于微珠表面，可在培

18、养液中进行悬浮培养。培养液中进行悬浮培养。微载体：微载体：贴壁培养动物细胞的载体微珠。贴壁培养动物细胞的载体微珠。反应器反应器:可用与悬浮培养相同设备可用与悬浮培养相同设备 优点：优点：比表面积大；生长条件易控制比表面积大；生长条件易控制且易放大，兼贴壁与悬浮培养的优势，且易放大，兼贴壁与悬浮培养的优势，取样方便；易于分离。取样方便；易于分离。微载体悬浮培养反应器应解决的问题：微载体悬浮培养反应器应解决的问题：搅拌适度，剪切应力小；搅拌适度，剪切应力小；能满足细胞所需的溶氧浓度；能满足细胞所需的溶氧浓度；能严格控制能严格控制PHPH值。值。微载体悬浮培养优点：微载体悬浮培养优点：比表面积大；生

19、长条件易控制且易放大，兼贴比表面积大；生长条件易控制且易放大，兼贴壁与悬浮培养的优势，取样方便；易于分离。壁与悬浮培养的优势，取样方便；易于分离。5 5、微囊培养系统、微囊培养系统微囊技术微囊技术：将生物活性物质、完整的活细胞或将生物活性物质、完整的活细胞或组织包在薄的半透膜内。组织包在薄的半透膜内。微囊制作：微囊制作：将活性细胞悬浮于海藻酸钠溶液中将活性细胞悬浮于海藻酸钠溶液中将活性细胞悬浮液按一定的液滴大小滴入氯化钙将活性细胞悬浮液按一定的液滴大小滴入氯化钙溶液中形成含活细胞的凝胶小珠溶液中形成含活细胞的凝胶小珠用半透膜材料包被，制成半透性外膜用半透膜材料包被，制成半透性外膜6 6、大载体

20、系统培养、大载体系统培养大载体：大载体：由海藻酸钠构成由海藻酸钠构成大载体制作：大载体制作：配制配制50mmol/L 50mmol/L 氯化钙溶液氯化钙溶液将活性细胞悬浮于低粘度的海藻酸钠凝胶中混匀将活性细胞悬浮于低粘度的海藻酸钠凝胶中混匀按适宜速度喷珠于氯化钙溶液中按适宜速度喷珠于氯化钙溶液中抽出氯化钙溶液，用生理盐水洗抽出氯化钙溶液，用生理盐水洗2 2次次第三节第三节 微藻培养反应器微藻培养反应器 一、微藻生物技术的优越性一、微藻生物技术的优越性1 1、光能利用率高；光能利用率高；2 2、易收获和加工；易收获和加工；3 3、商品价值高；商品价值高；4 4、繁殖快。繁殖快。二、微藻在规模培养

21、过程中的特点二、微藻在规模培养过程中的特点1 1、光照充足，、光照充足，PHPH、温度合适，无机碳源充足；、温度合适，无机碳源充足；2 2、强化二氧化碳的吸收和大量氧气的排出；、强化二氧化碳的吸收和大量氧气的排出；3 3、混合效果好；、混合效果好；4 4、避免污染；、避免污染；5 5、设备防腐蚀性好。、设备防腐蚀性好。三、三、微藻大规模培养反应器微藻大规模培养反应器 (一一)敞开式敞开式 (二二)封闭式封闭式封闭式光生物反应器主要类型封闭式光生物反应器主要类型 管式、板式以及一些其他特殊类型管式、板式以及一些其他特殊类型1 1、管式光生物反应器管式光生物反应器1 1）水平放置地面的蛇形管式光生

22、物反应器水平放置地面的蛇形管式光生物反应器 用有机玻璃为材料制作，管道平行用有机玻璃为材料制作，管道平行排列水平放置于地面。排列水平放置于地面。2）浸没在水中冷却的管式生物反应器）浸没在水中冷却的管式生物反应器 反应器的管道材料是聚乙烯塑料反应器的管道材料是聚乙烯塑料,集光集光管放在水池中管放在水池中 3)3)气升式内环流光生物反应器气升式内环流光生物反应器 反应器由气升管道、下降管、除气室、在线反应器由气升管道、下降管、除气室、在线检测与控制系统，光照、热交换和供气系统组成。检测与控制系统，光照、热交换和供气系统组成。4 4）管道式循环磁处理光生物反应器）管道式循环磁处理光生物反应器（教材）

23、（教材）用有机玻璃或透明塑料制作用有机玻璃或透明塑料制作 2 2、管式光生物反应器开发设计的主要发展趋势、管式光生物反应器开发设计的主要发展趋势1 1）管径减小并稳定在一定范围内）管径减小并稳定在一定范围内2 2）集光管的排列向空间发展）集光管的排列向空间发展3 3）降低管路阻力提高藻液流速）降低管路阻力提高藻液流速4 4）普遍采用气升循环混合系统）普遍采用气升循环混合系统 3 3、板式光生物反应器、板式光生物反应器 1）水平放置的板式光生物反应器水平放置的板式光生物反应器 这种反应器由具有三层壁的单元板组这种反应器由具有三层壁的单元板组 合而成合而成,单元单元板的内部结构与空心瓦的内部结构类

24、似。板的内部结构与空心瓦的内部结构类似。2 2）浅层溢流板式光生物反应器）浅层溢流板式光生物反应器 反应器由多个平行的板组成反应器由多个平行的板组成4 4、板式光生物反应器的发展趋势板式光生物反应器的发展趋势1 1）板式光生物反应器板面趋向于空间立体放置。）板式光生物反应器板面趋向于空间立体放置。2 2）板式光生物反应器光路长度向宽的方向发展）板式光生物反应器光路长度向宽的方向发展。思考题思考题 1 1、比较植物、动物、微生物细胞的结构和生理特、比较植物、动物、微生物细胞的结构和生理特点。点。2 2、描述植物细胞、动物细胞生物反应器的共性。、描述植物细胞、动物细胞生物反应器的共性。各有何优缺点。各有何优缺点。3 3、你认为最适合于植物细胞、动物细胞培养的生、你认为最适合于植物细胞、动物细胞培养的生物反应器、培养方法及操作方式，并说明其理物反应器、培养方法及操作方式，并说明其理由。由。